5G通信技术在电力物联网中的应用

张亚南，付艳芳，张岩

（北京中电飞华通信有限公司，北京,100070）

0 引言

随着能源行业的革命性发展以及新技术与电网的深度融合，电网现在呈现出多种能源，多种网络和多种实体的组合，需要建设新一代的电力系统。同时，在信息时代，用电用户在用电过程中拥有更加完整的决策信息，要求用电质量更高，服务响应速度更快[1]。因此，国内外电力公司都青睐大数据，云计算，物联网和新一代移动互联网等新技术。在大多数研究机构中，移动互联网技术已经成为一种成熟的技术。大数据和云计算技术在多个行业和领域中都很流行，并且目前正在进一步扩展中。但是，传统产业与物联网技术的结合仍处于起步阶段。

物联网（IoT）是一项新兴技术，是1999年由麻省理工学院自动识别中心的Ashton教授在研究射频识别（RFID）时首次提出的。物联网采用各种智能设备来感知和识别物理世界。它基于互联网和通信网络，利用计算设施和软件系统进行信息处理和知识挖掘[2]。通过使用物联网技术，我们可以实现人与物之间的信息交换以及信息流的无缝链接，从而实现实时控制，精确管理和科学决策。电力对于我们是必不可少的，它对我们的现代社会和全球世界都具有重大影响。然而，大多数电力系统架构已经设计了五十多年，变得复杂并且不能满足当今社会的要求。随着“互联网+”和“电力互联网”时代的到来，物联网发展迅速，并逐渐渗透到生产和生活的各个领域。将物联网技术引入电力系统可以有效地整合和提高信息化水平，利用电力基础设施，设备交互设施，促进先进信息通信系统服务于电网系统。在电力系统中，随着连接设备数量的增加，通信需要更大的容量，更大的连接性和更高的数据传输速率，而这只有通过将5G与物联网相结合才能实现。因为只有5G通信网络有潜力提供显著的低延迟、高完整性和高数据速率。5G通信网络技术非常灵活并且功能更加完善，这提供了一个很好的平台来解决如电力物联网中的成本分析和功耗应用方面的许多关键问题[3]。

1 泛在电力物联网

1.1 泛在电力物联网的概念

泛在电力物联网（UPIoT）是使用物联网技术内置在电力系统中的无线传感器网络（WSN）。泛在电力物联网充分利用了现有的电力系统通信设施，人工智能，大数据，移动互联网以及其他先进的信息和通信技术，实现了电力系统各个环节的一切连接和人机交互，进而创造出具有状态全面感知，信息高效处理和便捷应用能力的无处不在的能源信息网络。在我国，UPIoT是智能互联网+智能能源网络的重要组成部分。UPIoT的目的是通过减少基本的物理连接来获取所有的数据和信息。通常，UPIoT体系结构由四层组成，分别是感知层，网络层，平台层和应用层[4]。

感知层是UPIoT体系结构的最低层。它依赖于分布广泛的传感器，这一层的主要关注点是从传统网络系统的整个部分收集有价值的数据，包括从发电到用电的数据，并且还进行了原始数据的集成和计算。

网络层：网络层的主要功能是实现数据流的传输。网络层基于5G和其他先进的有线或无线通信技术，通过在感知层建立WSN，将数据和实时信息关联起来。

平台层：实现了数据流的有效处理。从感知层收集的信息将被聚合和存储，为每个面向应用的软件提供数据支持。这一层主要由服务器、数据库、平台管理软件组成。

应用层：基于平台层的数据流处理结果，分析无所不在的物联网感知到的对象信息，做出决策，反馈给对应的对象，服务于智能电网的每一个环节。它主要包括各种普遍存在的对象服务应用程序。

1.2 泛在电力物联网的特点

UPIoT的基本特点是全天候工作、万物互联、无处不在，连接所有市场实体及相关设备，构建跨区域数据共享生态系统，实现数据价值的充分挖掘和新兴业务的创新拓展。具体而言，UPIoT具有全面感知、连接广泛、开放共享、创新集成等特点。

全面的感知是UPIoT的基础，它是指UPIoT收集大量基本数据的能力。通过数据采集、转换和提取，将各设备的完整状态信息完全统一。完整的状态信息不仅包括设备的运行数据，还包括设备周围的环境数据。

广泛的连接是UPIoT的保证，它反映了UPIoT的网络属性。通过用户与设备的全面实时连接，实现了物理系统信息网络的建设，提高了数据的综合通信能力。依靠互联网或专用网络，实现了电力领域上下游企业之间的连接。

开放共享是UPIoT的定位，它是指提供开放平台的作用。鼓励将各种对象集成到UPIoT中并共享信息资源，从而提高整个系统的安全性和稳定性，并为新业务的发展提供基本的共享平台。

创新集成是UPIoT的目标，它是指UPIoT的价值转换模式。以物联网为基础，各学科充分挖掘数据的价值，提升管理能力，发展商业模式，创造新的商业运营环境。这四个特点相辅相成，不仅反映了UPIoT与普通物理网络的差异，还反映了建设目标和价值发展方向。

2 电力物联网的业务场景及通信需求

2.1 配电自动化通信需求

配电自动化系统可以使配电企业实现配电网运行监视、协调和控制。配电自动化包括配电网数据采集与监视SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)、馈线自动化、故障处理、分析应用等功能。

(1)带宽及采集间隔

配电自动化主站对终端的常规总召频率可根据需要设置为1分钟/次至60分钟/次；心跳数据帧30秒一次；主站与终端对时间隔可设置，一般每小时一次；遥信、遥控方面，主站下发命令或终端设备因突发事件主动上传数据时，频率不固定。根据调研情况，配电自动化终端传输一包数据255字节需耗时200 ms，按实时传输计算（不考虑存储转发），为避免排队时延，带宽应高于10.2 kbps。

(2)实时性

表1 配电自动化业务实时性指标

2.2 用电信息采集通信需求

用电信息采集系统是通过对配电变压器和电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、线损分析、电能质量监测，最终达到自动抄表、节约用电成本等目的。

（3）实时性

表2 用电信息采集业务实时性指标

（4）可靠性

用电信息采集的可靠性包括：遥控正确率≥99.99%；一次采集成功率≥95%；周期采集成功率≥99.5%（非设备故障和非通信故障条件下）。

2.3 分布式电源通信需求

分布式电源是指在用电用户周围装建，运行方式以用户端自发自用为主，以满足电力系统和用户特定的要求。

（1）带宽及采集间隔

表3 分布式电源站点传输流量需求

（2）可靠性

表4 分布式电源接入监控系统可靠性指标

2.4 移动巡检通信需求

移动巡检业务包括移动巡视和移动检修两大类业务。移动巡视业务如不需要巡视监控功能，其余功能均可本地实现，不需要远程通信。移动检修业务，因具有远程协助、移动办公等高级功能，需要实现巡检终端与巡检中心之间的通信，传输的数据包括文字、图片、视频等多种形式。以典型业务类型分析，不同业务传输速率范围为：语音业务8～64 kbit/s；视频业务384 kbit/s～2Mbit/s；数据业务64 kbit/s～2 Mbit/s。

3 5G通信在电力物联网中的应用

3.1 5G通信网络

随着4G网络的标准化和成熟，国内外已经对5G移动通信系统进行了研究。5G网络将实现真正的“万物互联”，并创造前所未有的新兴产业规模，为移动通信带来无限活力。5G+网络切片技术不仅可以启用新的电网工业控制服务，而且还可以完美继承2/3/4G公共网络支持的现有信息收集服务。因此，5G可以在电网内实现多层混合组网，统一管理和运维，帮助电网客户有效节省运营成本。

电力物联网的5G技术架构包括收集信息、管理、检查以及在设备和联网网络之间共享数据的活动。在过去的几十年里，蜂窝和无线技术发生了一场革命，从1G发展到4G，行业在这些技术的设计和应用上遇到了很多障碍。上一代4G和3G的成就将有助于5G系统的发展，后者将改变社会运行方式，并制定新的管理政策和方案。随着技术进步带来的数字存储容量的增加，要在设备之间传输的数据的大小增加了，从而产生了对现有技术无法满足的更高数据速率的需求。随着5G的到来，另一个频段被称为毫米波(mm Wave)，这是一种30-300 GHz的超高频率，可让管理员访问巨大的数据传输容量通道。由于4G和3G的数据传输容量较低，因此毫米波范围不受不同小工具的阻碍，从而有助于加快传输速度。但是，5G技术的研究也面临着以下几个挑战：（1）实时网络中1Gbps-10Gbps的数据速率：数据传输必须比现有技术多10倍。（2）低延迟 >10ms：与LTE网络相比，延迟必须小 10倍。（3）低成本:物联网应以低成本传感器、设备和部署成本为特点。（4）更多的连接设备：随着我们正在使用物联网系统，预计将有约800亿个物联网设备通过网络连接。(5)更长的电池寿命：由于设备预计将是智能的，并且需要更多的功耗，因此电荷存储和备用电池应该更多。（6）减少近90%的能源消耗：通过部署绿色技术可以减少5G技术的能源消耗，并且在大规模连接和高数据速率方面可以高效实现。

3.2 5G在电力物联网中的应用

智能分布式配电自动化、低压用电信息采集、分布式电源、电力巡检等领域是5G在电力行业的重点应用场景，如表5所示。

表5 5G技术在电力物联网中的应用场景

配电自动化的目的是提升供电可靠性，由于传统配网采用过流保护，一旦发生停电现象，会造成较大的影响，排查时无法精准确定，所以实现配网故障精准定位，提高供电可靠性是亟待解决的问题。在配电自动化中加入5G技术，可以对故障进行精准定位，使配网故障处理时间从分钟级提高到毫秒级。

当前，电力用户对用电信息进行采集业务主要用于计量，数据传输的业务规模小、频次低，特点是上行流量大、下行流量小。5G通信网络可以提供海量接入和实时数据上报，帮助电力用户完成用电信息采集。

对于传统配电网来说，它的早期架构设计并没有考虑分布式电源的接入。后期加入分布式电源后，网络架构发生了很大的变化，从原来的单电源辐射状网络变为双电源甚至多电源网络。对于用户来说，他们既是用电方，也是发电方，电流呈现出双向流动、实时动态变化。因此，需要引入5G技术来增加配电网的可靠性、灵活性及效率。

电缆隧道解决电网供电承载的同时也面临着巡检困难等问题，它作为一种封闭的地下管廊在遭受火灾、水淹、塌陷等问题时会对巡检人员的生命安全造成危险，因此为了使巡检人员避免危险、确保安全巡检，传统的方式是由两人以上进行隧道内部巡检工作，这样就导致了巡视工作效率低下。引入5G智能巡检机器人将极大地解决这一问题，机器人与后台之间进行通信时，5G技术可以保证很高的传输速度与传输稳定性，巡检机器人采用全景摄像机进行实时监控时，配合5G网络可以实现低延时视频观看。引入5G网络也可以确保传输链路数据安全。

4 结论

电力通信网络经历了从电力线载波到光纤再到各种无线通信的过程。物联网完全打破了传统时空思想的认知和局限性而达到促进客户服务改善、质量和效率改善、电网经济运行、新兴业务价值创造和清洁能源充分吸收等多个目标。5G通信网络技术承载着对电力物联网的期望，5G网络覆盖面广，是支持电力物联网通信的完美之选，它将彻底改变许多日常生活活动的方式。尽管5G通信网络具有很多优点，但是5G技术在电力物联网中的应用是一个长期的过程，仍然需要我们进一步探索。